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摘要：众所周知，在各种焊接金属结构物中存在残余应力。残余应力是工件或结构物在其焊接加工成形过程中产生，并以平衡状态存在于其中的一种内应力。对深海耐压结构而言，在制造过程中，耐压结构的钢板需要经过下料、切割、冷弯（包括滚弯）、装配和焊接等冷热加工过程。这些加工过程造成的钢板局部冷热变化和变形均使得钢板产生不均匀的塑性变形或相变，加之结构本身的约束作用，以使耐压结构在没有外载荷作用时其内部形成一个自相平衡的残余应力场。
关键词：汽轮机；焊接残余应力；疲劳寿命；焊接转子
1.焊接残余应力
焊接残余应力为热应力(主要为冷却应力)，相变应力可再叠加。在焊接过程中，焊接区及其周围区域迅速被急剧加热并局部熔化，材料受热而膨胀，热膨胀受到周围较冷区域的约束，造成热应力。受热区温度升高后屈服极限下降，热应力可部分地超过该屈服极限，结果焊接区形成了塑性的热压缩，冷却后比周围区域相对缩短、变窄或减小。因此，这个区域就呈现拉伸残余应力，周围区域则承受压缩残余应力。冷却过程中的显微组织转变会引起体积的增加，如果这种情况发生在较低的温度区，而此时材料的屈服极限足够高，则会导致焊接区产生压缩残余应力，周围区域承受拉伸残余应力。残余应力是构件未受荷载时的应力，因而是自相平衡的内应力体系，即在任何截面上残余应力均有拉又有压，内力和内力矩平衡。影响焊接残余应力的主要因素有：化学成分、相变、显微组织、焊接温度循环、焊接热处理、构件形状、负载条件等；次要因素有：焊接方法、焊接参数、焊缝类型、预热温度、层数、夹杂物等。
2.焊接残余应力模拟
2.1几何模型和材料参数
以核电汽轮机低压焊接转子为参照。为简化计算，这里假设中间进汽口位置有一条焊缝，目标是计算多道焊接产生的残余应力及其对疲劳寿命的影响。鉴于近年来窄间隙焊接技术已广泛用于转子等大壁厚工件的焊接，焊接转子材料为新型Cr-Ni-Mo-V转子钢，其潜热近似取为270kJ/kg，固化温度为1399度，液化温度为1454度，数值模拟中不考虑焊缝和母材金属的性能差异，认为是同一种材料。为简化计算，转子的焊接过程热分析、残余应力分析均采用二维有限元模型，然后利用模型的轴对称性，将计算结果旋转180生成三维焊接残余应力场，用于后期高周疲劳和临界裂纹分析。计算转子正常运行状态下的受力时，只考虑离心力和重力的作用。
2.2固态相变
当温度超过Ac1时，材料组织开始由体心立方结构(bcc)的铁素体或珠光体向面心立方结构(fcc)的奥氏体转变，当温度达到Ac3时，完全转变为奥氏体。从Ac1到Ac3加热期间，材料体积减小。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而在快速冷却过程中，当温度降到Ms时，奥氏体开始向马氏体转变，温度降到Mf后，奥氏体转变为马氏体结束，此过程中材料体积增大。对于Cr-Mo钢，温度测量和计算表明，在预热温度为300度和相对很大的热输入情况下，焊接期间奥氏体化金属冷却到500度只需要100-150s。这个冷却速率大于临界冷却速率。有限元模拟中实时追踪加热冷却过程中材料中奥氏体和马氏体的含量。
2.3汽轮机启停过程热力耦合分析
转子在汽轮机启动–停机过程中除了会产生大幅度变化的热应力，还包括转子自转产生的离心力。转子旋转过程中受到的离心力包括轴体本身的离心力和叶片离心力。通过有限元法计算冷态启动和正常滑参数停机过程中的瞬态温度场和热弹塑性应力场。
3.影响焊接构件疲劳性能的因素
3.1焊接残余应力
对焊接构件疲劳性能的影响对焊接构件进行常规疲劳试验，记录试样在每一循环应力作用下到达破坏时的循环数或寿命。N对一组试样施加不同应力幅的循环载荷，得到一组破坏循环数。
3.2应力水平对焊接构件疲劳寿命的影响
当应力水平低于或高于一定数值时，应力水平对疲劳寿命的影响已经很小了。对于焊接构件，当焊接残余应力与外加载荷小于一定的数值时，构件的疲劳寿命变化不大因此，焊接残余应力对焊接构件疲劳性能的影响，与构件的外加载荷水平有关，也与焊接残余应力的峰值范围有关。
3.3残余应力对疲劳寿命影响的理论预报
对于深海耐压结构的应力主要来源两方面，一是在静水外压的作用下，结构产生的弯曲应力和轴向压缩产生的膜应力，二是来自于结构在制造过程中的残余应力。在深海结构在下潜、上升的过程中，静水压力在凸锥处的外表面产生较高的拉伸应力。该拉伸应力是由弯曲应力和轴向压缩产生的膜应力合成而成。就目前对结构的疲劳问题认识而言，仍主要是拉伸应力的作用导致裂纹的进一步扩展，较高的压应力循环作用下裂纹是否扩展仍需进一步研究。基于这个原因，分析深海耐压结构的疲劳问题，主要以较高的拉伸应力部位为主。
4.计算结果及分析
4.1焊接接头处的残余应力
由于疲劳裂纹多由表面萌生，故重点讨论转子焊接接头内、外表面的应力状态，其焊接接头局部内、外表面的残余应力分布，并与清华大学蔡志鹏等所测量转子模拟件的残余应力结果进行了对比。模拟件为外径820mm、内径630mm、宽度225mm的25Cr2Ni2MoV环状锻焊件，深窄间隙环状焊缝居中。结果表明：不考虑固态相变时，计算的残余应力均与试验测量值存在较大误差；而考虑相变后，则计算得到的残余应力分布规律和大小均与实验测量值较好吻合，疲劳寿命和临界裂纹尺寸计算，均采用考虑固态相变的焊接残余应力。在转子焊接接头局部的外表面，考虑相变现象时，轴向应力和环向应力在焊缝和热影响区均为压应力；未考虑相变时，则轴向应力和环向应力在焊缝、热影响区和母材处都是拉应力，对于考虑相变和不考虑相变两种情况，焊接接头内表面各个区域均为轴向压应力。不同的是，前者在焊缝和热影响区轴向压应力较小，母材位置压应力较大，后者刚好相反。
4.2结果与讨论
首先模拟焊接初始室温环境下的填料过程，随后进行瞬态热分析模拟冷却过程。三维1/4实体模型位于半径200mm、角度45°处的节点温度随时间变化。
4.3两种有限元模型分析结果比较
由于分析的复杂度和对计算条件的要求较高，故采用两种不同类型的模型进行比较。有限元分析过程中，诸多因素均有可能对分析结果产生影响，如实体的几何特性，网格剖分的方法和密度，边界约束的控制，求解方法的选取等。因此，两种模型分析结果的比较重点在于对应力的总体分布和变化趋势的比较。事实上，两种模型应力求解结果较为相近，残余应力分布具有一定的相似性，应力在所选取路径上的变化趋势基本相同。二维轴对称模型在母材近U形槽底部的区域网格密度较高，该区域应力值和应力梯度较大，可见该区域内曲线段(斜率为负值)较为平稳，而由于网格较稀疏相应曲线段变化较剧烈；三维1/4实体模型在焊缝底部网格密度较高，对应焊缝底部的曲线段(斜率为正值)变化较为均匀，相应曲线段变化剧烈，部分应力值低于10MPa。可见关键区域网格密度对分析结果有重要影响。
5.结束语
研究发现：焊缝部位内、外表面的轴向残余应力均为压应力，且环向残余应力高于轴向应力。与无残余应力情况相比，焊接接头热影响区内外表面的高周、低周疲劳寿命都有不同程度的降低。且在此区域内，焊接残余应力增大疲劳裂纹扩展驱动力。
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论文作者:张广鹏
论文发表刊物:《防护工程》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/24
标签：应力论文; 残余论文; 转子论文; 疲劳论文; 过程中论文; 构件论文; 结构论文; 《防护工程》2017年第17期论文;